仿生鱼鳍运动仿真分析及试验研究

仿生水下推进技术的研究日益受到科研工作者的青睐,尤其是仿生机器鱼的研究日益引起关注。在对柔性长鳍波动推进模型研究的基础上,提出一种尾鳍摆动与长鳍波动组合推进的模型,目的是为了提高已有柔性长鳍波动模型的推进性能。对柔性长鳍波动推进模型和组合推进模型进行介绍,着重利用计算流体动力学方法分别对刚性尾鳍摆动模型和柔性长鳍波动模型进行二维数值计算,并对仿真结果进行对比和分析,对模型进行简易流场显示试验,为进一步研究组合鳍的推进特性奠定了基础,同时便于和今后模型的试验数据进行对比分析。

水下机器人新型仿鱼鳍推进器

21世纪是人类开发海洋的世纪 ,水下机器人和自主无人潜器具有广阔的应用前景和巨大的潜在价值 .仿鱼鳍水下推进器作为一种具有效率高、运动灵活以及噪音低等优点的新型水下推进器越来越受到广大科技工作者的重视 .本文介绍了仿鱼鳍水下推进器的分类 ,特点 ,国内外研究成果与现状 ,以及目前的研究热点 ,并对未来发展趋势作了预测 .

NiTi形状记忆合金驱动的仿生鱼鳍的研究

为了提高仿鱼型推进器在水中运动的灵活性,选择了典型的依靠腹部绸带状鱼鳍波动运动产生推进力的黑色魔鬼刀鱼进行研究,对此绸带状鱼鳍的形态和运动机理进行了分析,同时对鱼鳍的结构进行简化.基于绸带状鱼鳍的这种简化模型设计了形状记忆合金驱动的仿生鱼鳍.介绍了鱼鳍的机械结构和相应的控制电路.重点推导了仿生鱼鳍波状运动时理论上能到达的推进速度和产生的推进力;并采用数值仿真给出了波动推进时仿生鱼鳍表面的压力分布以及推进力随时间的周期变化规律.将数值仿真结论和先前的实验结果进行了比较,验证了数值仿真的合理性和正确性.通过上述分析,说明基于形状记忆合金驱动的仿生鱼鳍的研究是很有意义而且可行的.

仿生鱼鳍中形状记忆合金驱动器的水下变形精度分析

简要介绍了仿生鱼鳍的基本机构和工作原理.为了提高形状记忆合金仿生鱼鳍的变形精度,理论计算了作为鱼鳍驱动器的形状记忆合金薄板对端部的水下变形误差.给出了形状记忆合金薄板表面的流体无量纲阻力系数随时间的变化关系,同时给出了某一时刻薄板表面及其周边的压力分布和薄板尾迹中的卡门涡街形态.最后,通过实验验证了理论推导的正确性.

酶解鲟鱼鱼鳍制备蛋白粉的工艺研究

本试验对比研究3种蛋白酶水解鲟鱼鱼鳍的效果。结果表明:单酶水解选择胃蛋白酶为水解的最适酶种,双酶水解采用正交试验确定其最佳的复合酶种为胃蛋白酶加木瓜蛋白酶,水解条件为温度37℃和50℃、酶用量3000U/g、分别在最适pH2.5与pH6.5下水解6h、料比1∶2,蛋白质回收率可达到97.17%;经过酸浸预处理后水解液基本无腥苦味,经真空冷冻干燥可制得纯度83.65%的蛋白粉。

仿生鱼鳍波动推进模式对游动性能影响的数值研究

仿生鱼鳍的波动运动有两种基本模式:振幅从前往后保持不变和振幅从前往后逐渐变化。通过比较仿生鱼鳍两种波动模式的特点,可以给利用仿生鱼鳍驱动的水下推进器选择合理的波动方式提供依据。基于计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)技术建立两种波动模式的二维数学模型。比较分析了在相同的雷诺数及运动学参数(频率、波速和平均振幅)下两种波动模式形成的压力分布和平均推进力。给出了阻力系数随时间的变化规律。根据尾迹涡量场分布形式和涡量强度解释了两种波动模式之间存在差异的原因。从仿真结果可以看出:在相同的运动学参数下,振幅从前往后保持不变的鱼鳍波动模式产生更大的推进力,具有更高的游动稳定性。

基于仿真的鲨鱼鳍结构性能分析与研究

以鲨鱼尾鳍、胸鳍与背鳍为对象,基于水动力数值仿真方法,研究3种不同流速条件下标本结构的压力场、速度场以及流场状态,给出力学性能分析与比较。结果表明为提高反卡门涡效应,尾翼的设置宽度可以参考设置为0.5~4.8 m;当仿生机器设备主要工作方向与水流方向是同一方向,在保证0.5~4.8 m的基础上,应将尾鳍宽度设计的相对窄;对于主要工作方向不在同一平面内的,则尾鳍宽度设计的相对宽;相同速度流场中的胸鳍所受力约等于背鳍的两倍,结构流线型弧度越好受到阻力越小。

施氏鲟鱼鳍营养成分的分析

对人工养殖的施氏鲟鱼鳍的营养成分综合分析的结果表明:施氏鲟鱼鳍的水分平均含量58.70%;灰分含量16.00%;总脂肪的平均含量0.70%;总糖含量0.53%;粗蛋白含量24.70%;纯蛋白含量15.90%。施氏鲟鱼鳍还含有丰富的氨基酸,其中必需氨基酸占氨基酸总量的22.50%,蛋白质营养价高。鲟鱼鳍的矿物质含量丰富,特别是钠元素、锌元素和硒元素的含量,分别达到了154.4mg/kg、49.1mg/kg和0.21mg/kg,可作为富硒食品。因此施氏鲟鱼鳍具有较高的营养价值和开发产品的潜力。

中国的棘鱼鳍刺化石

简要回顾了中国棘鱼鳍刺化石的研究历史，着重记述了最近采自湖南澧县山门纱帽组的棘鱼鳍刺化石，包括Ｈｕｎａｎａｃａｎｔｈｕｓｇｅｎ．ｎｏｖ．，Ｅｏｓｉｎａｃａｎｔｈｕｓｇｅｎ．ｎｏｖ．，Ｓｉｎａｃａｎｔｈｕｓ和Ｎｅｏｓｉｎａｃａｎｔｈｕｓ。总的看来，山门的棘鱼化石群和曾祥渊记述过的湘西大庸溶溪组的棘鱼化石群近似。在此基础上，讨论了中国志留纪棘鱼刺体演变趋势和有关生物地层学问题，认为志留纪先后有过两个棘鱼群组合，分别出现于早、中志留世。这一结论再次证实将塔里木含棘鱼鳍刺化石层与坟头组对比及有关地质结论是正确的。

周期性扰动对鱼鳍波动推进性能影响数值研究

在鱼鳍的推进性能的研究中,鱼鳍波状运动产生推进力使鱼类具有很高的机动性,可以在复杂的水下环境中穿梭自如,可以实现精确的位置和姿态控制,且运动更具连续性和平稳性。针对上述问题,建立了鱼鳍摆动和波动的运动学方程,并借助于流体动力学软件比较分析了鱼鳍在没有前端扰动和加入前端扰动两种情况下的波动推进力和升力产生的机理,分析前后缘涡产生、脱泻、相互作用的过程,揭示前端周期性扰动对鱼鳍波动推进性能的影响及其规律。仿真结果显示:波动鳍对前端周期性扰动形成的尾迹反卡门涡街进行重新调制,可以从中获取能量用于提高自身波动推进性能。研究为研制高性能的多鱼鳍协调控制推进的仿鱼鳍推进器提供理论依据。

当鱼鳍变成吸盘时

鱼鳍是鱼的运动器官和平衡器官．般来说分为两对偶鳍和三个奇鳍。按鳍的发生位置——偶鳍包括脚鳍和腹鳍：奇鳍包括背鳍、臀鳍和尾鳍。但并不是所有鱼的鳍都是按这五个位置出现的，有些种类的鱼会有一砦鱼鳍的缺失和变化。例如丝鳗科Nettastomidae、海鳝科Muraenidae、

酶法提取罗非鱼鱼鳍胶原蛋白的研究

文章对罗非鱼鱼鳍胶原蛋白的提取进行研究。通过单因素试验研究鱼鳍胶原蛋白提取的不同因素影响作用,并通过正交试验确定胃蛋白酶酶法提取胶原蛋白的最佳工艺。研究结果表明,在酶解时间6h、底物浓度5%、酶量5 500U g、pH为1.80和温度为40℃的条件下,胃蛋白酶水解罗非鱼鱼鳍效果较好。正交试验表明,酶法提取反应主要因素影响的顺序为:反应时间>酶量>底物浓度。

仿生鱼鳍单元设计及运动仿真分析

利用电机-凸轮-滑块-曲柄机构,设计了一款仿生鱼鳍单元。对仿生鱼鳍单元的运动学进行分析,建立了凸轮运动参数与鳍条运动参数之间的关系。结合Adams仿真软件,分析凸轮角速度分别为π/6和2π/3 rad·s^(-1)时鳍条运动角位移、角速度和角加速度随时间的变化。结果显示:鳍条角位移、角速度和角加速度曲线均呈现等频率波动规律,但鳍条角加速度时间曲线相对零位呈现小幅度的不对称性;随着电机转速增加,鳍条角位移、角速度和角加速度的变化频率增大,幅值也随之增大。上述运动特征与生物鱼鳍的运动规律相符,该仿生鱼鳍单元结构设计为进一步研制仿生鳍推进器提供参考。

鱼鳍和鳞片色素组成的比较观察

鱼类体色观察常以鳞片为材料,鱼鳍和鳞片都是皮肤的衍生物,采用Nikon光学显微镜系统,对白鲫和红鲫鱼鳍及相邻体位鳞片的色素细胞组成、分布及形态结构等进行了比较观察。鱼鳍薄而透明,显微镜下观察发现鱼鳍从近体端到远体端在色素细胞总体分布上呈现出由密集逐渐稀疏的变化特征。白鲫背、胸、腹、臀、尾鳍五种鱼鳍中都分布有黑色素细胞、黄色素细胞和红色素细胞三种色素细胞类型。红鲫鱼鳍中则仅观察到黄色素细胞和红色素细胞两种色素细胞类型。同时不同部位鱼鳍与其基部相邻鱼鳞上层在色素细胞的组成上是一致的。在白鲫和红鲫的鳞片中均存在着丰富的虹彩细胞,但在鱼鳍中未观察到典型的虹彩细胞的分布,提示在鱼类体色发育中,虹彩母细胞可能具有与其它几种色素母细胞不同的迁移途径。

描述鱼鳍材料松弛特性的分数Zener模型

鱼鳍在游动中起到了推进和控制的作用,研究鱼鳍的力学性质对研究鱼类游动中高效率的来源具有重要意义.本文对鲫鱼尾鳍鳍条进行了松弛实验,松弛时间为300 s,力随时间表现出较明显的衰减,表明鱼鳍具有黏弹性性质.采用分数Zener模型拟合实验数据,并将拟合结果与3参数和5参数线性模型拟合结果比较,发现3参数线性模型拟合效果较差,分数Zener模型和5参数线性模型都较好地拟合了松弛曲线,但分数Zener模型具有使用参数更少的优点.

25nm鱼鳍型场效应晶体管中单粒子瞬态的工艺参数相关性

基于TCAD(Technology Computer-Aided Design)3-D模拟,研究了25 nm鱼鳍型场效应晶体管(Fin Field Effect Transistor,FinFET)中单粒子瞬态效应的工艺参数相关性。研究表明一些重要工艺参数的起伏会对电荷收集产生显著影响,从而影响到电路中传播的SET(Single Event Transient)脉冲宽度。对于最佳工艺拐角,离子轰击后收集的电荷量可以降低约38%,而在最坏工艺拐角下,收集的电荷量则会增加79%。这些结论对FinFET工艺下的SET减缓及抗辐射加固设计提供了一种新的思路。

柔性仿生鱼鳍中形状记忆合金鳍条的优化设计

介绍一种使用形状记忆合金(SMA)薄板作为鳍条的柔性仿生鱼鳍设计。SMA鳍条的尺寸参数(特别是厚度)对仿生鱼鳍的工作性能(驱动力、变形量和响应频率等)有很大的影响,本文计算了鳍条上的外界阻力大小;根据力矩平衡原理,计算了SMA鳍条克服外界阻力所需的驱动力;由实验给出了SMA鳍条最大输出力和其厚度的关系,以及平均应变和其厚度的关系;最后得出了形状记忆合金鳍条的重要尺寸参数(厚度)的优化取值。

仿生类鱼鳍翼力学性能的数值研究

为了研究仿生类鱼鳍翼的流动控制机理,通过数值求解不可压缩流动非定常N-S方程,对类鱼鳍翼和传统机翼在不同运动方式下的力学性能和流动机理进行对比分析.研究结果表明:与传统翼相比,尽管在来流中静止的仿生类鱼鳍翼会增加阻力,但其在做拍动运动时产生的复杂涡系可以改善压强分布,增强前缘吸力,提高推力.

斑马鱼鳍和鳞片色素细胞的显微观察

目的观察斑马鱼鳍和鳞片色素细胞的组成、分布及形态特征。方法应用光学显微镜对AB品系斑马鱼鳍和鳞片色素细胞的显微结构进行观察。结果斑马鱼鳍上分布有黑色素细胞和黄色素细胞,未观察到虹彩细胞。根据色素细胞的分布规律,将斑马鱼鳍分为有、无斑马鱼条纹两类。鳞片中分布有黑色素细胞、黄色素细胞和虹彩细胞。黑色素细胞较大,形态上主要分为呈树突状、颜色较浅、体积较大的I类黑色素细胞和呈团状、颜色较深、个体较小的Ⅱ类黑色素细胞。黄色素细胞个体最小,呈黄色或者橙黄色。虹彩细胞较长呈长棒状或梭形,数量最少。结论斑马鱼体表有黑色素细胞、黄色素细胞和虹彩细胞三种类型色素细胞,但鳍和鳞片在色素细胞组成和分布上存在着差异,鳞片中色素细胞的种类和形态特征较鳍中色素细胞更丰富。

番红花花提取物对紫外线损伤斑马鱼鱼鳍的保护作用

以斑马鱼为模型,研究番红花花提取物对紫外线诱导斑马鱼鱼鳍损伤的保护作用。将受精后72 h的斑马鱼幼鱼经番红花花提取物溶液处理,同时进行UVB照射后,观察斑马鱼鱼鳍的损伤程度,以及通过吖啶橙染色检测斑马鱼鱼鳍的凋亡细胞。由实验结果可知,在UVB照射后的第1天和第2天,与未照射阴性对照组(-UVB)相比,模型对照组(+UVB)的斑马鱼鱼鳍都出现明显的损伤,而200 mg/L番红花花提取物处理组(+UVB)的斑马鱼鱼鳍有较少的损伤,而且400 mg/L和800mg/L番红花花提取物处理组(+UVB)的斑马鱼鱼鳍几乎没有损伤,与阴性对照组相似;吖啶橙染色结果显示,模型对照组(+UVB)的斑马鱼鱼鳍有大量的凋亡细胞,而实验组(番红花花提取物+UVB)的斑马鱼鱼鳍仅有少量的凋亡细胞,与阴性对照组(-UVB)相似;番红花花提取物对紫外线诱导斑马鱼鱼鳍损伤具有保护作用。